電池結構創新實現全面應用

點擊數:23 發布日期:2022-05-13 09:15:18 來源: 東莞市利通行汽車配件有限公司

一、2022 年是電池結構創新全面應用元年

2019年開始動力電池企業積極探索結構創新,以CTP技術對電池包結構內部進行創新實現高質量降本增效,有效對沖了較大程度的原材料成本上升壓力。一方面通過電池包內材料件與結構件的減少降低材料與工藝成本,另一方面通過標準化與規?;a提高生產效率降低生產成本,并且同時實現電池續航能力提升,連續打造爆款車型,2022年產品日益成熟后全面導向市場,尤其在原材料成本壓力下將加快以CTP為代表的結構創新技術應用,不僅短期有效消化了成本壓力,在長期指引了技術平價之路。

(一)CTP 結合磷酸鐵鋰技術開啟技術平價之路

2020年以來CTP結合磷酸鐵鋰技術以成本優勢推動新能源汽車平價趨勢,打造諸如特斯拉Model 3、比亞迪漢等高性價比爆款車型,并逐步打開海外客戶接受度。 2021年特斯拉、比亞迪、上汽通用五菱等加大磷酸鐵鋰應用持續打造爆款車型,2021 年12月宏光MINIEV銷量50561輛,維持銷量第一,特斯拉Model 3、特斯拉Model Y 分別以40500輛和30102輛隨其后,磷酸鐵鋰車型大幅包攬暢銷榜,尤其是2021年3月小鵬P7開始應用磷酸鐵鋰與CTP技術,8月特斯拉Model Y上市磷酸鐵鋰版本,對銷量快速產生積極影響。隨著小鵬P5、比亞迪海豚/DM-i系列、長城歐拉等車型集中交付,CTP結合磷酸鐵鋰技術更廣范圍推廣,2022年10-20萬元新能源乘用車市場需求有望釋放奠定技術平價基石。

2020年10月小鵬P7車型上市,2021年3月,小鵬宣布旗下P7車型將搭載CTP技術電池包,與此同時當月銷量環比上月增長102.63%,后續增長持續放量。

2021年9月23日,蔚來汽車應用新一代CTP技術的75KWh三元鐵鋰電池上線,且75KWh電池包車型售價、BaaS價格、換電權益、續航升級權益等與原三元鋰70kWh電池包車型相同。對于ES6而言,新CTP的上線在對車型降本提效的同時保持價格不變,等同于另一種形式的降價從而獲得銷量增長??梢钥吹?021年9月新CTP電池包上線后,ES6的2021年9-12月銷量增速分別為64%/-6%/98%/98%(10月增速為負系工廠生產線改造為兼容新車型ET7準時上線),顯著高于2020年同期增速與2021年全年增速,2021年9-12月總銷量增速亦高于2021年全年。


通過復盤CTP電池對小鵬P7以及蔚來ES6銷量影響可以推斷,造車新勢力如蔚來、小鵬、理想等對于CTP的應用態度會更積極。

(二)中國電池企業引領全球CTP 技術開發

2019年以來,寧德時代、比亞迪和蜂巢能源陸續發布了CTP(Cell to Pack,無模組動力電池包)技術,將電芯直接集成至電池包,省去模組環節可以有效提升電池包的空間利用率和能量密度。2021年3月,寧德時代宣布將于2025年前后正式推出高度集成化的CTC(Cell to Chassis,將電芯直接集成到底盤上,省去模組與電池 包)電池技術。按照寧德時代董事長曾毓群介紹,CTC技術不僅會重新布置電池,還會將三電系統納入進來,包括電機、電控、整車高壓如DC/DC、OBC等。未來,CTC技術還將進一步通過智能化動力域控制器優化動力分配和降低能耗。


1.寧德時代:CTP的漸進演變模式

常規電池包構成:電芯-模組-電池包。將單個電芯大面相互粘接貼合, 采用焊接兩個側板以及兩個端板的方式,將單體電芯固定成電池模組。焊接成組后, 采用吊裝夾具的方式,將多個電池模組移入電池箱體中,通過固定板和電池箱體的 固定板上的水平支撐面固定。

CTP電池包構成:電芯-電池包。將多個電芯直接布置在箱體內(用散 熱片做隔貼合),無需先將多個單體電芯組裝成電池模組,簡化了電池包的結構和 組裝工藝。

(1)寧德時代原電池包和模組結構:

電芯組裝成模組的流程如下:

①首先,電芯與電芯間添加氣凝膠(柔性吸能材料)來進行粘連、隔熱和防撞優化。

②其次,在堆疊后的電芯組焊接端板、側板進行成型和穩定加固。側板和端板見通過焊接相連。其中端板除了起到聚攏單體電芯,提供一定壓力的作用以外,有時還會將模組與電池包的固定結構設計在上面。

③再次,在電芯成組上方進行電路布局。在電芯組上方放置隔離板,再將CSC (電池監控單元,上面設置有多個導電片和鍵合引線)放置在隔離板上,通過導線 將CSC與電芯相連(導線一端串聯電芯,一端鏈接CSC上面的鍵合引線)。


模組裝電池包流程:

電池包Pack構成:動力電池模組+電池箱體結構(上蓋+托盤+支架結構[電池箱 體的橫梁縱梁支撐座螺栓結等)+電氣系統(線束+繼電器)+熱管理系統(液冷板) +電池管理系統BMS。

①結構系統:主要由動力電池Pack上蓋、各種金屬支架、電池箱外殼、托盤和 螺栓組成,是Pack的“骨骼”,起到支撐、抗機械沖擊、機械振動作用。

②電氣系統:由高壓跨接片或高壓線束、低壓線束和繼電器組成。

③熱管理系統:包括液冷板,冷卻水管組成。

④動力電池管理系統 (BMS):由傳感器、執行器、控制器(電控單元)等組件構 成,采集系統的電壓、電流、溫度等數據。有效地管理控制動力電池包的充放電,以 及響應整車層面的功能需求。

(2)寧德時代CTP:

寧德時代在專利中提到的CTP可以看到:結構中省去了模組結構(模組頂蓋、模組端板、模組側板,模組隔離板、模組底板)。上部將電芯正極通過一層絕緣構件+結構膠與上箱蓋相連。下部將電芯底部通過絕緣構件+結構膠與下箱體相連(液冷板直接集成在下箱體上)。液冷板與下箱體中間是否有緩沖墊,尚無統一,是選配件。 在此種集成過程中節省掉的材料構件及工藝流程有:

①模組的側板和端板:端側板構件和端側板的焊接工藝流程全部省去。

②螺栓及鎖附:原來每模組要鎖四個螺栓(如有8個模組,總計32個;現在變成 一個模組后僅需四個螺栓。

③輸出級的簡化:原來每個模組有2個輸出級(如果有八個模組,即需要16個輸 出級),當前僅需2個輸出級[鋁牌+銅牌]。同時輸出級的焊接工藝也相應減少。

④輸出級后接插件簡化:原來每個模組都有正負極的接插件?,F在僅需兩個接 插件。

當前,在車型的實際應用上,寧德時代的CTP結構當前尚未完全去除模組結構,而是將小模組結構轉化為大模組結構(如原來8~12個模組,轉化為2~4個大模組)。


2.比亞迪:刀片電池形態

比亞迪傳統電池包的安裝

①模組的安裝:電池模組包含多個依次排列的單體電芯;在電芯陣列外部設置 有端板和側板,同時端板和側板通過螺釘連接,或者通過拉桿等其它鏈接件連接, 實現對電芯陣列的固定。

②電池包體的安裝:包體內設置有兩個橫梁一個縱梁,兩個橫梁和一個縱梁將 單體電池分隔成六個電池模組,每個電池模組均具有側板和端板。電池模組通過螺釘的方式固定在橫梁或縱梁上。

這種設計結構下,由于端板和側板均具有一定的厚度和高度,連接方式中的橫 縱梁,均浪費了包體內的空間,降低了包體內的體積利用率。一般情況下,此種結構 中的包內單體電芯體積與包體的體積比值在40%~50%。


(三)電池結構創新同步降本增效,成本壓力下有望加速

1.2021年上游原材料成本上漲200~300元/kwh

2021年以來,上游原材料價格大幅增加,動力電池生產成本不斷增加擠壓盈利水平。其中:材料成本占比最高的正極材料:磷酸鐵鋰從2020年底的3.85萬元每噸 上漲至2021年底的10.10萬元/噸;三元正極(以5系為例)自2020年底的14~15萬元/噸上漲至2021年底的27~28萬元/噸。核心電池級碳酸鋰從2020年底的5.00萬元/噸上漲至2021年底的27.51萬元/噸。另外電解液價格從2020年底的3.80萬元/噸上漲至2021年底的11.03~12.05萬元/噸。電池級銅箔自83元/公斤上漲至107元/公斤。

經由我們測算,2021年以來,由于原材料價格上漲,電芯制造成本的大幅提升; 其中三元鋰電池電芯成本增加308.15元/Kwh,磷酸鐵鋰電池電芯成本增加276.20元 /kWh。原材料成本大幅上漲,倒逼電池廠商加速結構創新降本增效。

2.CTP實現降本:結構件材料件減少,有望降本100元/kWh

電池包通過CTP方式組裝,一方面模組層面,單體電芯無需布置在兩個端板和 兩個側板圍設形成的模組框架內,省去了模組相關的結構件(端板側板以及大量用 于固定安裝模組的螺釘等緊固件)。另一方面包體層面,單體電芯本身可承擔一部 分機械加強作用,可以省掉或者減少電池托盤的加強筋,包體內的支撐件減少,整 體的材料成本降低。同時整體的制造工藝低得到簡化,單體電池的組裝復雜程度降 低,節省了大量的人力、物力等生產制造成本。據我們測算,去模組化后整體電池包 減少生產成本約100元/kWh。


3.CTP實現增效:提升電池包帶電量,增強續航里程

CTP電池通過提升電池包內空間利用率,實現體積能量密度提升。同時通過電 池包整體的輕量化程度共同作用,實現續航里程的增加。

(1)寧德時代:包內體積利用率提升15%-20%,整包帶電量提升。 據寧德時代發布會顯示:其CTP電池包較傳統電池包而言,體積利用率提高了 15%-20%。在能量密度上,傳統的電池包能量密度平均為140-150Wh/kg,CTP電池 包能量密度則可達到200Wh/kg以上。

(2)比亞迪:包內體積利用率提升20%,整包帶電量提升20%-30%。 從比亞迪申請專利《CN209389112U》能看到,在電池包總體積一致的情況下, 原有的電池PACK結構,包內空間利用率大概在40%左右;而采用了CTP技術的比亞迪電池包,省去各模組的側板、端板、緊固件、橫梁、縱梁等組件,包內空間利用率 大概在60%左右。因此,相較于原有電池包,刀片電池包在同等體積情況下,帶電量 約增加20%-30%,續航里程也能提升20%-30%。

(3)蜂巢:包內體積利用率提升17%,整包帶電量提升24%。據蜂巢能源發布會資料顯示:其L600段刀片磷酸鐵鋰電池,能量密度175Wh/kg, 采用CTP的全新Pack方案,相較于傳統模組電池包,矩陣電池包的空間利用率可提高17%,體積能量密度提升30%,成組效率提升12%,能量密度增加9%,整包帶電量提升24%,Pack零部件減少20%,成本降低10%。(報告來源:未來智庫)


(四)車企連續加快導入,2022 年迎來拐點

自2019年寧德時代在法蘭克福車展中提出CTP技術以來,該技術在乘用車市場和商用車市場都有實現與相關龍頭車企展開合作。北汽EU5于2019年9月搭載全球首款CTP電池包。威馬2019年9月宣布將會在2020年北京車展上推出全新威馬7系純電動轎車,電池包將采用CTP技術。哪吒汽車2020年3月與寧德時代就新能源電池領域合作正式達成一致,寧德時代將為合眾公司CTP高集成度電池Pack技術、5年50萬公里長循環壽命等電池技術,并且表示新電池將很快會應用到未來哪吒汽車等5款車型上。蔚來于2020年11月6日正式發布容量為100kWhCTP電池包。據悉今后蔚來所有電池包(標準續航電池包75kWh,長續航電池包100kWh)也將替換為CTP技術電池包。小鵬旗下G3和P7車型也與分別于2019年和2020年采用CTP技術電池包等。

通過當前已披露的搭載CTP車型的銷量數據來看,CTP滲透率在2021年呈現出 明顯的增量加速趨勢。目前公開的合作車型中也有6款車型還未在2021年實現投產, 這也預示著未來將有更多相關車型陸續實現放量。


(一)寧德時代與比亞迪的探索

1.寧德時代:構建從CTP到CTC的全產業鏈布局

2021年1月27日,寧德時代中國區乘用車解決方案部總裁項延火透露,寧德時代目前正在規劃第二代平臺化的CTP電池系統,計劃于2022年-2023年投入市場應用。2021年12月21日,寧德時代董事長曾毓群透露其全球首創的CTP技術目前已升級迭代出第三代。相比上代,電量提升13%,減重10%,能量密度、體積效率繼續引領行 業最高。2025年前后,寧德時代計劃推出第四代高度集成化的CTC電池系統.2028年前后有望升級為第五代智能化的CTC電動底盤系統。CTC技術不僅對電池進行重新排布,還會納入三電系統,通過智能化動力域控制器優化動力分配和降低能耗,目標2030年前完成技術開發。目前寧德時代已在積極布局CTC業務相關的除電池系統 之外的核心零部件。

(1)2016年寧德時代實控人之一李平創立上海盤轂動力,布局電機體系。盤轂動力以盤式電機為核心,集成優化減速箱、控制器等相關零部件,解決了盤式電機一系列的產業化技術難題。據公司介紹,盤轂動力盤式電機體積比同功率徑向磁場 電機小56%,重量減輕45%,電機效率MAP超過雙90。盤式電機軸向尺寸小、重量 輕的特點為商用車底盤布置提供更優的解決方案,同時能夠有效降低整車能耗15% 以上。

(2) 2017年設立寧德時代電機。2017年4月,寧德時代設立電機科技有限公 司。公司主營2kW-350kW新能源汽車電機電控及輪邊電機橋總成系統、輪轂電機, 低速大扭矩高效節能永磁電機等高科技機電產品。

(3)2020年9月入股芯邁半導體,12月入股杰華特微電子,布局電控核心部件。

(4)2021年9月入股拿森,專注線控底盤解決方案。寧德時代于2021年9月對拿森進行投資,持股比例約5.47%。專注于智能汽車所需的線控底盤解決方案,主要 產品涵蓋電控智能剎車系統 Nbooster、車輛穩定控制系統 ESC、智能轉向系統 EPS 等,是國內首個突破線控剎車技術壁壘并量產的公司,是 Booster 產品累計出 貨量最大的國產供應商。

(5)2021年10月設立蘇州新安,布局電控系統。新安重點布局電動能效優化解決方案等前沿研發項目開發,包括電動汽車驅動控制系統、汽車零部件研發及生產、自動化業務研發、汽車底盤一體化研發及試制等。


布局下游整車制造與車企,籌備CTC應用落地。2020年3月2日,寧德時代與哪吒汽車簽約戰略合作,雙方將在新能源電池領域進一步深化合作;2021年5月,寧德時代通過全資子公司寧波梅山保稅港區問鼎投資有限公司入股愛馳汽車;2021年11月,寧德時代入股阿維塔科技(長安汽車子公司),持股比28.99%。

2.比亞迪:“刀片電池+車身”一體,E平臺升級3.0進一步集成刀片電池迅速全車型推進。從2020年1月正式推出刀片電池,短短一年多時間實現搭載刀片電池的純電車型和插電混動車型的量產上市,并宣布旗下純電車型將全面換裝刀片電池。

2021年9月比亞迪正式推出E平臺3.0。其將刀片電池作為結構件融入車身一體化設計,包含全新電子電氣架構下的四大域控制器和自主研發的車用操作系統。底盤關鍵模塊體積更小、重量更輕、性能更強、能耗更低。電驅動系統升級為8合1模塊,綜合效率可超89%。搭載e平臺3.0的電動車,零百加速可快至2.9s,綜合續航里程最大突破1000km。800V閃充技術,電動車充電5分鐘,行駛150km。百公里電耗 比同級別車型降低10%,冬季續航里程至少提升10%。


(三)電池企業重構產業壁壘與商業模式

1.集成化與結構革新,高效增強了電池廠在零部件供應鏈的話語權

電池包CTP化之后,整體的生產制造環節將產生大幅革新,主機廠將從原采購電芯及模組,自行組裝電池包的方式,轉向更多的從電池廠整體采購電池包。

首先,當前CTP/CTC技術的革新電池廠整體發力與落地應用相較于主機廠起步更早,寧德時代與比亞迪的CTP技術落地明顯領先。同時基于寧德時代和長安汽車、 華為共同打造全新高端智能汽車品牌的合作關系,以及長安新能源規劃突破CTV (Cell to Vehicle)、MTV(Module to Vehicle)關鍵技術,寧德時代CTC技術有望加快產業化進度。

其次,以電池為核心,輔以相配應零部件的集成設計,電池廠更具有開發優勢。雖然當前車企為把控主動權當前也在積極布局開發CTP→CTC電池包與集成底盤形式,如特斯拉大眾等(另外比亞迪、長城有電池供應體系)均提出要自研CTP/CTC技術。但電池包的結構設計形態圍繞電芯制造為中心,對于電芯性能的發揮和適配應用,電池廠話語權更加優勢。

再次,新勢力造車市占率不斷提升的市場主導趨勢下,電池企業聯合新勢力OEM通過技術革新率先應用落地的環境更為友好。2020年開始中國新能源汽車經過調整升級。新勢力憑借優質產品和服務,兼具科技創新與模式創新能力,突破市場要求電動智能網聯汽車在購置成本上與傳統燃油車平價的束縛,通過不斷量變積累到質變,市場占有率不斷提升。新勢力車企在汽車機械制造方面或將對第三方更為友好。

2.集成化與一體化加強了電池包生產環節的規模效應,提高長期盈利中樞

隨著電池包的模塊化,標準化程度不斷加深。整個電池包的生產環節將實現較大的集中度提升。因此電池廠相對主機廠將有望實現更強的規模效應,隨著電池整包的生產進一步從分散的主機廠開始轉向較為集中的電池廠,電池環節長期盈利中樞有望提升。

三、關注結構創新下產業鏈變遷

在電池PACK結構簡化的過程中,不同結構與材料的增加或減少使用以及傳統結構件在生產供應的格局上均發生較大變遷。 CTP電池包一方面新增部分材料件(如導熱膠和結構膠,以及絕緣件)的使用, 另一方面傳統結構件的產業鏈結構開始發生遷移,客戶結構從原來的以汽車企業為主慢慢向電池企業滲透,不同環節供應格局也將發生較大變化。


(一)結構件:電池托盤鋁型材擠壓為當前主流,壓鑄嘗試滲透

1.沖壓→擠壓/壓鑄:當期擠壓將代替沖壓,遠期壓鑄正在局部嘗試

鋁擠壓工藝相比于傳統的沖壓等生產工藝,具有高剛性、抗震動、抗擠壓、抗沖 擊等性能,更能適應CTP結構化對電池托盤的新要求,其當前的主流工藝地位將進一步鞏固。沖壓工藝由于自身缺點與CTP結構化的要求存在沖突,故預期在此環境 下將面臨較大的應用限制。

    另外,遠期來看,一體化壓鑄電池托盤也在不斷嘗試:①鋁型材的焊接工序很長,效率很低,壓鑄快速成型,效率更高;    

    ②型材焊接的焊縫質量問題,一體化壓鑄 可較好的解決。③從生產成本的角度,無需投資多種鋁型材的設備,僅需一臺壓鑄 設備,整體工藝生產流程簡化。

    雖然此前一體化壓鑄由于產能與金屬材料性能方面的限制,一體化壓鑄電池包 仍多用于混電車型的小能量電池包。但未來隨著多種類合金材料的性能提升,大型 壓鑄機等的產能放量,純電車型的大能量電池包也有望實現一體化壓鑄成型。多家企業已提早布局,如當前寧德時代等與廣東鴻圖等壓鑄廠探尋合作電池包相關的一體化壓鑄,比亞迪也在逐步開始應用到一體化壓鑄成型工藝來做一些電池包結構件等。

2.擠壓的連接方式上:FDS替代FWS

FSW(摩擦攪拌焊技術)是以旋轉的攪拌針以及軸肩與母材摩擦產生的熱為熱源,通過攪拌針的旋轉攪拌和軸肩的軸向力實現對母材的塑化流動來得到焊接接頭。 FSW焊接接頭強度高、密封性好,被廣泛應用于電池包箱體焊接領域,是當前電池 托盤的主流焊接方法。但FSW也存在因焊接變形導致的精度一般的問題,在CTP結構化的環境下難以滿足新的更高要求。

FDS(螺栓自擰緊技術)連接是一種通過設備中心擰緊軸將電動機的高速旋轉傳導至待連接板料摩擦生熱產生塑性形變后,自攻螺絲并螺栓連接的冷成形工藝, 通常配合機器人使用,自動化程度高。FDS技術精度更強、變形更小、氣密性更好, 在保證足夠連接強度的同時實現箱體良好的密封性能,預期在CTP結構化環境下未 來將成為主流焊接技術。

綜上:①生產工藝上,目前已成為主流的鋁擠壓電池托盤將繼續擁有更強的主導地位;連接方式上,對應的焊接技術將從FSW向FDS進行滲透。②未來遠期一體化壓鑄可期。

3.當前鋁擠壓主要市場參與者對比

當前電池托盤的型材擠壓以及核心焊接技術仍在不斷創新突破。凌云股份與敏實集團一體化生產能力強,產能全球布局,主機廠客戶積累較深。和勝股份切入電池廠托盤供給、產能快速擴張。

(二)結構件材料:電池托盤探索鎂鋁合金應用

1.電池包結構件材料應用不斷升級

CTP跳過模組環節,技術難度更大,對電池托盤提出了更高的要求——電芯由 于充放電膨脹造成的形變和散熱性能變差兩個問題需要在整個電池包層面進行解決, 因此CTP技術對電池托盤提出了更高的防震、氣密性,以及輕量化等要求。使用材 料也在不斷演變:鋼制→鋁合金→鎂鋁合金/塑料及碳纖維復合材料。

(1)早期:鋼質材料

鋼材料具有價格經濟,有優良的加工及焊接性能,良好的抗石頭沖擊的能力(實 際路況中由于電池托盤受到不同工況的影響, 如易受到碎石的沖擊等)等優點。但 重量較大,裝載于車身時是影響新能源汽車的續航里程的重要因素之一。且其其剛 性較差,在發生碰撞過程中易發生擠壓變形。早期電動汽車如 Nissan Leaf、Volt等 采用鋼制電池箱體;不過當下傳統鋼制電池下箱體技術路線已經基本被拋棄。

(2)當前:鋁合金為主,鎂鋁合金以及非金屬復合等輕質材料也在不斷開發

    ①當前電池包結構件多采用鋁合金為主要材料。在諸多輕量化材料中,鋁是最 早替代鋼材成為車企歡迎的一種新型汽車制造材料。與汽車用鋼鐵材料相比,鋁及 其合金具有強度高、耐蝕性優良、適合多種成型加工方法、較易再生利用、抗沖擊性 能好等優點,因而成為應用上比較成熟的輕量化材料。當前主流的多采用:壓鑄型 與擠壓-拼焊鋁箱多用在電池包下箱體,沖壓-拼焊鋁箱用在電池包上箱蓋。

    ②性能更優的鎂鋁合金材料已在逐漸滲透至電池托盤的生產制造

鎂鋁合金重量輕契合電池包輕量化趨勢:其密度為鋁的三分之二,鋼的四分之 一,原來電池殼體使用鋁合金,重量達125公斤,采用鎂合金制成同尺寸電池殼體僅 需60-70,減重效果達50%。

除輕量化以外,強度高、模鑄生產率高也適用于電池包制造:鎂有極好的吸震 性能、可吸收震動與噪音,對于用作設備機殼減少噪音傳遞、提高防沖擊與防凹陷 十分有利,與鋁相比,單位體積熱含量更低,能在模具內更快凝固(生產率比鋁壓鑄 高出40%-50%,最高可達2倍)

    ③其它非金屬復合材料在托盤制造種的使用亦在不斷探索,尚有待應用驗證

塑料復合材料作為重要的輕量化材料,其比重輕、耐腐蝕,具有很強的設計性 和良好的工藝性能。碳纖維復合材料作為汽車部件,相比于傳統鋁合金、高強鋼和 玻纖復合材料等材料,具有高強輕質、耐沖擊性好、零部件一體化、可設計性好、耐 腐蝕性能好等優點,其減重效果和強度優勢更加明顯。不過當前,制約各種非金屬 復合材料大范圍應用的主要因素包括性價比、供應商的結構和能力、汽車發展和產 品環境等影響。同時生產和加工技術尚不夠成熟,在新能源車的量產使用上仍有待 持續的發展驗證。

    現如今單一的材料已很難滿足汽車剛度和強度方面的需求,除了克服單一材料 現有加工工藝上的技術難點,如何將多種輕量化材料的加工工藝形成技術融合,也 是當前輕量化研究領域的熱點和發展趨勢。

    2.新材料企業切入電池包結構件的壓鑄生產制造

    2020年11月,三祥新材與寧德時代、江蘇萬順機電集團有限公司、廣東文達鎂業科技股份有限公司,在寧德壽寧縣共同設立寧德文達鎂鋁科技有限公司,開展“鎂鋁合金壓鑄項目”。該項目引進一批壓鑄2500噸、5000噸壓鑄機進行電池托盤的一 體化生產壓鑄探索。

    2022年2月,據三祥新材公告,該項目整套壓鑄單元成功試車生產,首個壓鑄件 電池端板下線。


4.市場情況

    隨著CTP與刀片電池技術的應用,對膠粘劑要求和用量的提高,單個PACK包膠 黏劑用量會從目前的1-2公斤呈現較高倍數的增長,單pack價值量也會從200-300元 增長至400-900元。

(四)材料件:新增緩沖墊其它絕緣件使用

    1.CTP后對減震與保溫的要求更高:新增緩沖墊片與保溫貼片需求

    單體電池模組可以提高散熱的效率,減小熱失控的風險。CTP去除了模組設計的環節,因此一方面對保溫和熱擴散防護要求變得更高,另一方面需要用粘膠、緩沖墊等材料實現電芯與電芯、電芯與托盤之間的固定與減震。所以相比于傳統模組, CTP電池包對減震與保溫的要求更高,主要表現形式為緩沖墊和保溫貼片需求增加。

    緩沖墊原本有蜂窩鋁、PVC發泡、有機硅發泡、橡膠等多種材料。但橡膠需要硫化不易控制溫度;PVC低溫環境下發硬且粘接不穩定;有機硅機械強度低,發泡后粘接性比聚氨酯差。與之相比,聚氨酯樹脂發泡材料能夠在提供持續的反彈力同時,起到防塵防水密封作用,避免因碰撞振動造成損壞,具有優異的防塵密封、減震、抗壓縮回彈、壓縮永久變形、低溫緩沖性等性能。以聚酯材料替代部分硅發泡來用于緩沖,在CTP下具有更強的適用性。

    保溫貼片是貼在電池外部的零部件。聚氨酯泡沫塑料質量輕、導熱系數低、耐熱性好,具有良好的保溫性能,可用作保溫貼片,包覆于電池包殼體實現保溫。

2. 緩沖墊與保溫貼片材料:聚氨酯在CTP結構下優勢顯現

    聚氨酯(一般縮寫為PU)是指主鏈中含有氨基甲酸酯特征單元的一類高分 子,可用于制作導熱、粘接、減震、保溫等材料件。聚氨酯制品主要包括泡沫塑料、彈性體、纖維塑料、革鞋樹脂、膠粘劑和密封膠等,其中泡沫塑料所占比重最大。因其優異性能,聚氨酯制品廣泛地應用于新能源汽車(CTP無模組、刀片電池 等)、密封件澆注件、電子元件、插頭插座灌封,也可作為膠粘劑使用。

(五)CTC 后底盤開啟一體化壓鑄新紀元

    1.特斯拉引領汽車制造工藝創新極簡,開啟一體化壓鑄新紀元

    2020年9月,特斯拉于電池日上宣布Model Y將采用一體化壓鑄后地板總成,可減少下車體總成重量30%,降低40%制造成本,且車身生產工藝流程大幅簡化,制造時間由傳統沖壓-焊裝-涂裝-總裝制造工藝的1-2小時縮短至一體化壓鑄的2-3分鐘。

    2021年5月,特斯拉前艙一體化總成鑄件試驗也已披露下線,主要構成包括左右車輪罩、潰縮吸能區、橫梁、以及與車身連接的端面和與前碰撞梁或車前端連接的結構端面,整體重量約為130kg。

    當前,特斯拉正在探索一體化壓鑄的進一步集成,將整個車輛的結構構成大大簡化為四個部分:①前艙一體式壓鑄總成+②乘員艙結構壓鑄總成+③一體化電池結 構壓鑄總成+④后底板一體化壓鑄總成。 其中,據特斯拉發布會介紹,其利用3個大型壓鑄件(前底板+CTC電池包+后底板)替換由370個零件組成的整個下車體總成,實現整體減重10%,續航增加14%。(報告來源:未來智庫)


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